Current Issue: <BDM>

Bio-Design and Manufacturing

ISSN: 2096-5524 (print version); ISSN: 2522-8552 (electronic version); started in 2018, quarterly


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Bio-Design and Manufacturing (BDM) reports new research, new technology and new applications in the field of biomanufacturing, especially 3D bioprinting. As an interdisciplinary field, topics of this journal cover tissue engineering, regenerative medicine, mechanical devices from the perspectives of materials, biology, medicine and mechanical engineering, with a focus on manufacturing science and technology to fulfil the requirement of bio-design.


Bio-Design and Manufacturing

ISSN: 2096-5524 (print version); ISSN: 2522-8552 (electronic version); started in 2018, quarterly

   Cover:  <192>

<<<                         CONTENTS                         >>>

Editorial

Physics problems in bio or bioinspired additive manufacturing

Jun Yin, Jin Qian & Yong Huang

DOI: 10.1007/s42242-023-00234-6 Downloaded: 402 Clicked: 599 Cited: 0 Commented: 0(p.99-102) <Full Text>

Chinese summary   <17>  《生物设计与制造》2023年特邀专辑 | 生物或仿生增材制造中的物理问题,文章目录与简介

近年来,由于材料科学和制造技术的创新,3D打印已受到了广泛的关注[1],而生物材料和生物学方面的创新使得3D打印技术得以应用于体外构建复杂组织/器官的生物增材制造领域[2]。当前的生物增材制造技术可大致分为基于喷墨的生物打印,基于微丝挤出的生物打印,基于数字光处理 (DLP) 的生物打印,电场辅助的生物打印,以及熔融沉积制造 (FDM) 等(图1)[3,4]。尽管增材制造技术在不断进步 [5,6,7],但其现阶段的可靠性和产品的功能性尚不够完善,生物增材制造在应用端仍面临巨大的挑战[8]。

众所周知,生物力学、流体力学、流变学、相变理论等物理学知识在打印过程中起着至关重要的作用,为实验设计和打印结果的预测提供指导[9]。然而,生物增材制造过程中的许多基础物理问题仍然缺乏深入的探索和理解[10,11]。例如,喷墨打印过程中液滴和基底的碰撞[12],DLP打印过程中未固化的光交联生物墨水对成型结构稳定性的影响[13]及电场辅助的打印过程中的电场力及粘性力的平衡[14]等。尽管这些现象已经被广泛报道和研究,但是仍然未能清晰阐释这些现象背后的物理机制。此外,除了打印结构的形状保真度,细胞存活率也是3D生物打印的另一重要参考指标[15],因为细胞的活性反映了细胞在打印过程中和打印后面临的环境[16,17]。尽管已有报道称,在包含喷头的生物3D打印过程中,剪切应力是造成细胞损伤的主要原因;而在基于光固化的生物3D打印过程中,大多数的细胞损伤源于紫外光辐射[18];目前尚未总结出对于不同生物增材制造工艺通用的细胞损伤标准。虽然已有研究者将物理/机器学习等模型用于分析/预测打印过程中造成的细胞损伤 [19,20],但仍然缺乏描述整个生物3D打印过程中的细胞损伤的物理模型。

综上所述,深入理解各种生物增材制造技术中所涉及的物理学将有助于研究人员更好地理解整个制造过程,并优化打印平台及相关工艺参数。因此,探索增材制造过程中涉及到的物理问题将有利于增材制造技术的发展,并弥补现有打印结构和临床转化之间的差距[21]。

为了进一步阐述物理学在生物增材制造过程中的重要性,本杂志组织了名为“生物或仿生增材制造中的物理问题”的主题特刊。在这期特刊中,我们收集到了6篇研究性文章,集中讨论了不同生物增材制造技术中的成形机制及设计原理。Yang等[22]研究了激光粉末床熔融打印 (LPBF) 过程中激光功率和扫描速度对打印结构的表面质量、致密性及表面纹理的影响。通过优化激光功率和扫描速度,可以避免因能量在基体中的过度储存与积累而造成的热胀冷缩。此项研究为LPBF工艺用于加工生物降解结构提供了科学依据。Valentin等[23]提出了一种创新的钛-6-铝-4-钒加工方法,通过直写打印辅以后期热处理的方式形成了具有微小孔隙的多孔形态的结构。通过在海藻盐中引入肽接枝和纤维蛋白,Qiu等[24]开发了可用于高分辨率电流体力学 (EHD) 生物3D打印的海藻酸盐基生物墨水。此打印工艺的成丝精度可达到30 µm,并可以对细胞生长进行定向引导,为细胞的生存和扩散提供理想的环境。Liu等[25]合成了可用于微丝挤出打印的一种基于壳聚糖/明胶和蛋清的复合水凝胶,并发现三聚磷酸酯 (TPP) 可最大限度地提高支架的物理和生物性能,显示了此工艺在组织工程领域的巨大潜力。Huo等[26]利用双极温控系统提高了单温控FDM的打印精度,并通过实验和理论分析探讨双温控系统对聚合物墨水流变性的影响,进而为提高热熔性聚合物的FDM打印精度提供了新思路。受kirigami艺术的启发,Yue等[27]通过优化设计几何参数,打印了具有不同机械性能的二维片材,并由二维片材组合形成具有良好的形状记忆能力和可编程性的三维结构,显示了在智能负载方面的巨大潜力。

1. Physics problems in bio or bioinspired additive manufacturing 生物或仿生增材制造中的物理问题 Jun Yin, Jin Qian, Yong Huang

2. Laser additive manufacturing of zinc: formation quality, texture, and cell behavior 锌的激光增材制造:成形质量,纹理及细胞行为 Mingli Yang, Liuyimei Yang, Shuping Peng, Fang Deng, Yageng Li, Youwen Yang, Cijun Shuai

3. Direct ink writing to fabricate porous acetabular cups from titanium alloy 利用钛合金直写打印制造多孔髋臼杯 Naima Valentin, Weijian Hua, Ashish K. Kasar, Lily Raymond, Pradeep L. Menezes, Yifei Jin

4. Functional alginate-based bioinks for multiscale eletrohydrodynamic bioprinting of living tissue constructs with improved cellular spreading and alignment 利用多尺度电流体生物3D打印制备功能性海藻酸基的活体组织,并提升细胞的扩散和排列 Zhennan Qiu, Hui Zhu, Yutao Wang, Ayiguli Kasimu, Dichen Li, Jiankang He

5. Evaluation of different crosslinking methods in altering the properties of extrusion printed chitosan-based multi-material hydrogel composites 不同交联方式对挤出打印的壳聚糖复合水凝胶材料性能的评价 Suihong Liu, Haiguang Zhang, Tilman Ahlfeld, David Kilian, Yakui Liu, Michael Gelinsky, Qingxi Hu

6. Numerical simulation and printability analysis of fused deposition modeling with dual temperature control 双极温控的熔融沉积打印的数值模拟和可打印性分析 Xiaodan Huo, Bin Zhang, Qianglong Han, Yong Huang, Jun Yin

7. Shape recovery properties and load-carrying capacity of a 4D printed thick-walled kirigami inspired honeycomb structure 基于kirigami的4D打印厚壁蜂窝结构的形状恢复特性和承载能力 Chengbin Yue, Wei Zhao, Fengfeng Li, Liwu Liu, Yanju Liu, Jinsong Leng

Research Article

Laser additive manufacturing of zinc: formation quality, texture,
and cell behavior

Mingli Yang, Liuyimei Yang, Shuping Peng, Fang Deng, Yageng Li, Youwen Yang & Cijun Shuai

DOI: 10.1007/s42242-022-00216-0 Downloaded: 409 Clicked: 492 Cited: 0 Commented: 0(p.103-120) <Full Text>

Chinese summary   <14>  江西理工大学帅词俊等|锌的激光增材制造:成型质量、织构以及细胞行为

本研究论文聚焦激光增材制造可降解金属锌的成型质量、织构以及细胞行为的研究。激光增材制造不仅充分实现金属粉末近净形状制造的可能性,还能精确制造出复杂结构,在骨修复领域引起了广泛关注。金属锌兼具良好的生物相容性和适中的降解速率,被认为是一种极具潜力的可降解金属。然而锌存在较低的熔点和沸点,在制备过程中容易产生蒸发产物,使激光束辐射和输入粉末层的激光能量不一致,进而降低了锌植入物的形成质量。本文采用激光增材制造技术制备金属锌,通过阐明激光工艺参数对金属锌成型质量、织构以及力学性能的影响机制,获得了制备金属锌的优化激光工艺。在优化激光工艺下,金属锌的平均硬度、机械强度和伸长率分别达到了50.2HV、127.8MPa和7.6%。此外,还分析了金属锌的降解行为和成骨性能。这项工作为选择激光工艺参数以优化锌植入物的综合性能提供了依据。

Direct ink writing to fabricate porous acetabular cups from titanium alloy

Naima Valentin, Weijian Hua, Ashish K. Kasar, Lily Raymond, Pradeep L. Menezes & Yifei Jin

DOI: 10.1007/s42242-022-00222-2 Downloaded: 388 Clicked: 502 Cited: 0 Commented: 0(p.121-135) <Full Text>

Chinese summary   <13>  内华达大学雷诺分校金翼飞团队│利用直写式3D打印技术制造多孔状钛合金髋臼杯植入物

本研究论文聚焦基于直写技术的多孔状钛合金髋臼杯3D打印方法。髋臼杯是全髋关节置换术中最重要的植入物之一,通常由具有高孔隙率和足够机械性能的钛合金制成。当前用于制造定制化髋臼杯的3D打印方法具有一些固有的缺点,例如高成本和能耗、残余热应力和相对较低的效率等。因此,本文开发了一种基于直写技术的多孔状钛合金髋臼杯3D打印方法,以实现室温下杯体结构的制造,并通过后续多步热处理过程形成微孔结构。该方法的核心是一种自支撑并可光固化的钛合金墨水,由钛合金(Ti64)颗粒,膨润土屈服应力添加剂 (bentonite),紫外光固化聚合物(PEGDA)及光引发剂(photo-initiator)组成。其中,膨润土屈服应力添加剂不但可以在打印过程中提供自支撑性能,还可以在后续热解过程中产生微孔隙结构。本文系统地研究了钛合金和膨润土浓度对流变特性及墨水打印性能的影响,讨论了该方法的打印极限,并最终成功打印了微孔均布的髋臼杯植入物。论文研究的自支撑/光固化墨水可以兼容多种金属或陶瓷材料,为此类材料的制造提供了新的加工方法。

Functionalized alginate-based bioinks for microscale
electrohydrodynamic bioprinting of living tissue constructs
with improved cellular spreading and alignment

Zhennan Qiu, Hui Zhu, Yutao Wang, Ayiguli Kasimu, Dichen Li & Jiankang He

DOI: 10.1007/s42242-022-00225-z Downloaded: 542 Clicked: 519 Cited: 0 Commented: 0(p.136-149) <Full Text>

Chinese summary   <13>  西安交通大学贺健康团队 | 功能化海藻酸钠墨水细胞静电打印微米精度活性结构改善细胞铺展与定向效果

本研究论文聚焦于海藻酸钠墨水的功能化改性与相关高精度细胞静电打印工艺研究。生物打印技术在组织工程和再生医疗中有巨大的应用前景,但传统生物打印技术由于精度的限制在精确复现自然组织中细胞复杂排列结构方面仍然面临巨大挑战。近年来,一种利用电流体动力学效应打印出微米级别水凝胶纤维的细胞静电打印技术被提出,其在保证细胞活性的前提下极大提高了打印分辨率。但适用于细胞静电打印技术同能支持细胞铺展的生物墨水体系有待进一步研究。本研究通过化学修饰RGD、混合牛纤维蛋白原及添加PEO,得到了适用于细胞静电打印工艺的功能化海藻酸钠墨水,细胞在打印结构中的铺展率有显著提高。通过优化挤出流量、打印移动速度和接收距离等细胞静电打印工艺参数后,打印结构分辨率达到30μm以下。细胞在该尺度下的凝胶结构中沿着纤维方向生长,表现出显著提高的细胞定向率。该功能化海藻酸钠墨水和细胞静电打印技术为精确复现自然组织的复杂微观结构提供了新的技术途径。

Evaluation of different crosslinking methods in altering the properties
of extrusion-printed chitosan-based multi-material hydrogel
composites

Suihong Liu, Haiguang Zhang, Tilman Ahlfeld, David Kilian, Yakui Liu, Michael Gelinsky & Qingxi Hu

DOI: 10.1007/s42242-022-00194-3 Downloaded: 510 Clicked: 561 Cited: 0 Commented: 0(p.150-173) <Full Text>

Chinese summary   <12>  TU Dresden和上大刘随红等 | 评估不同交联策略对3D打印壳聚糖基水凝胶复合材料性能的影响

本研究论文聚焦不同交联策略对挤出3D打印壳聚糖基多材料水凝胶复合材料性能的影响评估。3D打印技术(特别是基于挤出方式的3D打印技术)可对生物材料墨水进行空间范围的精确控制和堆积塑形,在组织工程和再生医学的发展领域显示出巨大的潜力。尽管该3D打印技术具有独特优势且被广泛应用于生物制造领域,但研制适用于挤出3D打印且能够促进细胞黏附、生长和血管化的生物材料墨水以及合适的交联策略一直是该领域的一大挑战。因此,本研究论文研发了一种基于壳聚糖/明胶和蛋清蛋白复合的功能化水凝胶生物墨水,其具有良好的可打印性及形状保真度。此外,为了选择合适的交联剂和方法,对三聚磷酸盐 (Tripolyphosphate, TPP)、京尼平 (Genipin, GP)和戊二醛 (Glutaraldehyde, GTA)三种交联剂和五种组合交联方法进行一系列理化及生物学性能对比和研究分析,研究结果发现基于TPP交联的支架在增强理化性能的同时保持了良好的生物学性能且具有较高的应用性价比。此外,打印制备的复合支架的功能性研究表明该蛋白化的水凝胶支架有助于宿主新生血管长入支架,能够促进与宿主间的融合及组织工程支架的血管化,在组织工程和再生医学领域具有广阔的应用前景。
(文章作者还包括上海大学张海光教授和硕士研究生刘亚魁,TU Dresden的David Kilian和Ahlfeld Tilman博士;TU Dresden的Michael Gelinsky教授和上海大学胡庆夕教授为通讯作者)

Numerical simulation and printability analysis of fused deposition
modeling with dual-temperature control

Xiaodan Huo, Bin Zhang, Qianglong Han, Yong Huang & Jun Yin

DOI: 10.1007/s42242-023-00239-1 Downloaded: 383 Clicked: 493 Cited: 0 Commented: 0(p.174-188) <Full Text>

Chinese summary   <11>  浙江大学尹俊等 | 双级温控熔融沉积(FDM)打印的数值模拟和可打印性分析

本研究论文聚焦于双级温控熔融沉积打印的数值模拟和可打印性分析。理想的组织工程支架应具有相互连接的孔结构和高孔隙率以确保细胞的渗透、营养物质的充分扩散以及代谢废物的排出。支架的孔隙必须足够大以允许细胞迁移到结构中;同时,孔隙又必须足够小以获得尽可能大的比表面积,促进细胞与支架之间的粘附。因此精确调控支架孔隙率及孔隙结构对于制备理想的组织工程支架具有重要的意义。传统的FDM打印的聚己内酯(PCL)支架的丝径一般在200 μm以上,比细胞尺寸(10 μm)要大得多。因此,如何提高分辨率和形状保真度是制备组织工程支架过程中亟待解决的难题。
鉴于此,浙江大学机械工程学院尹俊研究员和美国佛罗里达大学机械与航空航天工程系Yong Huang教授提出了一种双级温控工艺,通过在料筒处施加较高的加热温度提高熔体流动性,同时在针头处施加较低的温度提高挤出材料的成形性,从而制备高精度(约50 μm)和高形状保真度的支架结构,极大地拓展了熔融沉积打印在组织工程中的应用前景。相关成果以“Numerical simulation and printability analysis of fused deposition modeling with dual-temperature control”为题发表于Bio-Design and Manufacturing上,浙江大学机械工程学院霍小丹博士生与张斌研究员为共同第一作者,浙江大学机械工程学院流体动力基础件与机电系统全国重点实验室为第一单位。

Shape recovery properties and load-carrying capacity of a 4D printed
thick-walled kirigami-inspired honeycomb structure

Chengbin Yue, Wei Zhao, Fengfeng Li, Liwu Liu, Yanju Liu & Jinsong Leng

DOI: 10.1007/s42242-022-00230-2 Downloaded: 409 Clicked: 477 Cited: 0 Commented: 0(p.189-203) <Full Text>

Chinese summary   <11>  哈尔滨工业大学冷劲松等 | 4D打印厚壁kirigami蜂窝结构的形状回复性能和承载能力

蜂窝结构源自自然界中的蜂窝。它是一种由规则的六边形单胞背靠背对称布置组成的结构,以其高比刚度/强度和能量吸收能力而闻名,引起了许多研究人员的关注,并已广泛应用于航空航天、运输包装、建筑承重和医疗植入领域。然而,一经制造,其结构不会根据应用的需要而改变,这极大地限制了其在某些特殊应用场景中的应用,尤其是在具有承重要求的智能空间可展开结构中。四维(4D)打印技术对于制造复杂结构更为灵活。并且,由于形状记忆聚合物(SMP)的特性,允许制备的对象具有可重编程性能,这些对象可以响应外部刺激回复其原始形状。这有望提高其在应用中的灵活性和适应性。
近年来,相比于折纸,具有更高自由度的剪纸(Kirigami)艺术为构建多尺度结构提供了一种更有前途的方法,其可以通过切割和折叠将二维(2D)板状结构成形为三维(3D)构型。然而,Kirigami原理的复杂性和对主动配置的需求通常会在实际应用之前带来许多不便。本研究将4D打印技术与Kirigami艺术相结合,设计了一种4D打印厚壁Kirigami蜂窝结构,有望应用于节省空间的智能承重结构中。
本研究首先建立了考虑粘弹性变形条件下的结构分析模型,并设计了具有不同拓扑角度的二维六边形晶格结构。该模型预测并分析了每个拓扑角对等效弹性模量(E)和泊松比(v)的影响。有限元分析和实验结果与理论预测吻合良好。基于对2D蜂窝结构几何参数的探索和优化,我们设计并制造了一系列3D厚壁Kirigami蜂窝(TW3KH)结构。利用4D打印技术制备的厚壁Kirigami蜂窝结构具有折叠后可自展开,展开后可自折叠得能力,并且具有良好的形状回复率和大的体积变化率,有望应用于节省空间的智能承重设备。同时使用ABAQUS软件通过广义Maxwell粘弹性本构模型(GMM)模拟了垂直编程结构的形状回复过程。压缩实验和有限元模拟研究表明形状回复前后的结构具有较好的承载性能。

News & Views

Bio-manufacturing innovation lights up the future

Liang Ma & Huayong Yang

DOI: 10.1007/s42242-023-00233-7 Downloaded: 407 Clicked: 528 Cited: 0 Commented: 0(p.204-215) <Full Text>

Chinese summary   <12>  第二届生物设计与制造青年论坛 | 生物制造创新点亮未来

生物制造是一个前沿多学科融合充满创造性思维的正在高速发展中的领域。为了推动生物制造这一前沿医工交叉学科的协同创新,促进青年科技工作者之间的交流合作,2022年11月19日,第二届生物设计与制造青年论坛在浙大紫金港校区顺利举行。本次论坛由中国工程院杨华勇院士担任大会主席,由浙江大学机械工程学院、流体动力与机电系统国家重点实验室以及《生物设计与制造》期刊共同主办。十位知名年轻科学家受邀在现场和线上就自己的研究进行报告交流。今年的青年论坛首次采用了线上直播的方式,在线参会人数近400人。论坛着重讨论了新颖的仿生设计、创新三维生物打印工艺、新型生物材料以及新的生物医学应用。在本报告中,我们总结演讲者提出的所有热门话题并按研究领域逐一列出。
1. 哈佛大学Yu Shrike Zhang教授的报告题目是Vat-Polymerization Bioprinting for Tissue Fabrication,介绍了其在哈佛大学的课题组在先进的基于光投影立体生物制造领域的最新进展。
2. 中南大学帅词俊教授在线进行了题为《组织再生结构的激光增材制造研究》的报告,介绍了激光增材制造可降解植入物的打印策略。
3. 西安交通大学贺健康教授作题为《微纳生物3D打印:调控组织/细胞生长新途径》的报告,介绍了微纳3D打印技术在心肌细胞定向中的应用。
4. 西北工业大学汪焰恩教授作题为《生物陶瓷骨支架仿生结构设计与精准成型研究》的报告,系统介绍了生物陶瓷仿生骨制备的工艺与先进的结构/材料/工艺协同优化方法。
5. 东华大学游正伟教授作题为《仿生弹性体,3D打印及其生物医学应用》的报告,分享了团队在弹性体这一领域做的一些工作以及对该领域未来研究的畅想。
6. 上海交通大学崔文国教授作题为《可注射水凝胶微球促进关节软骨修复》的报告,系统回顾了团队在水凝胶微球领域的探索与医学实践。
7. 大连理工大学王华楠教授作题为《微纳基元组装水凝胶研发及再生医学应用》的精彩报告,介绍了如何通过微纳胶体材料动态组装连续多孔凝胶材料并用于组织/器官的修复重建。
8. 清华大学的张婷教授的报告题目是《血管化功能性心肌组织构建与成熟策略与机制研究》,为大家带来了血管化功能心肌组织的最新研究进展。
9. 华南理工大学施雪涛教授带来名为《生物材料在男性生殖修复领域的应用》的报告,为我们介绍了生物材料在男科这一全新领域中的广阔应用前景。
10. 浙江大学俞梦飞教授作了名为《基于生物材料和干细胞的颅颌面组织缺损修复及再生》的精彩报告,介绍了颅颌面组织缺损的功能化修复与再生中的最新研究进展。

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